Polymeren
Monomeren zijn eenvoudige grondstoffen die, als ze aan elkaar worden gekoppeld door
chemische reacties, lange ketens vormen. Die lange ketens van monimeren worden
polymeren genoemd.
Het woord polymeer komt uit het Grieks: poly is veel en meros is deel.
Die chemische reactie wordt polymerisatiereactie genoemd. Monomeren bevatten een
dubbele binding die bij een reactie openspringt. De koolstofatomen kunnen hierdoor een
nieuwe binding vormen en worden aan elkaar gekoppeld. Deze vorm van polymerisatie
wordt additiepolymerisatie genoemd.
Rubber ontstaat ook uit additiepolymerisatie. De elasticiteit van rubber wordt veroorzaakt
door crosslinks. Dit zijn dwarsverbindingen tussen de polymeren. Hierdoor krijgt rubber
na uitrekking weer zijn oorspronkelijke vorm. Dit soort stoffen worden elastomeren
genoemd.
Een andere vorm van polymerisatie is condensatiepolymerisatie. Bij
condensatiepolymerisatie komt meestal water vrij.
Polyesters en polyamiden worden gevormd door de condensatiepolymerisatie van een
hydroxyzuur of door de condensatiepolymerisatie van een diol met een dizuur. Hierbij
ontstaat een polymeer door afsplitsing van water.
Plastics: stoffen die uit polymeren bestaan.
Er bestaan twee soorten plastics:
Thermoplasten: Thermoplasten worden zacht als je ze verwarmt en worden weer hard
als je ze afkoelt.
Thermoharders: Thermoharders blijven hard als je ze verwarmt.
Polyester wordt gevormd door de polymerisatie van een hydroxyzuur of door de
polymerisatie van een diol met een dizuur. Hierbij wordt water afgesplitst
(condensatiepolymerisatie).
29
Voedingschemie
De hoofdbestanddelen van ons voedsel zijn koolhydraten, vetten en eiwitten. Daarnaast
hebben we ook nog kleine hoeveelheden mineralen en vitaminen nodig.
Koolhydraten en vetten leveren energie doordat ze in het lichaam worden verbrand.
Eiwitten zijn bouwstoffen en worden gebruikt voor de opbouw van cellen. In voedsel
zitten ook voedingsvezels die ervoor zorgen dat het maagdarmkanaal goed blijft
functioneren.
Een eetbaar vet of een olie is een ester van glycerol (1,2,3-propaantriol) en vetzuren.
Een vetzuur is een organisch zuur met een heel lange alkylketen. Vetten ontstaan uit
verzadigde vetzuren en oliën ontstaan uit onverzadigde vetzuren.
Bij vetharding reageert een olie met waterstof zodat er een vast vet ontstaat.
Voorbeelden van koolhydraten zijn glucose en zetmeel. Zetmeel wordt gevormd door de
koppeling van glucose onder afsplitsing van water. Glucose is een monomeer en zetmeel
is een polymeer. Glucose wordt ook wel een monosacharide genoemd en zetmeel een
polysacharide. Stoffen waarbij twee monosachariden met elkaar reageren onder
afsplitsing van water, worden disachariden genoemd.
Glucose wordt in de groene delen van een plant gemaakt, daar waar chlorofyl aanwezig
is.
Onder invloed van zonlicht, wordt uit water en CO2 , glucose (C6H12O6) en zuurstof
gemaakt.
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ←⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯
chlorofyl+zonlicht
6 CO2 (g) + 6 H2O (l) C6H12O6 (aq) + 6 O2 (g)
Eiwitten zijn polymeren die ontstaan uit aminozuren. Bij het koppelen van twee
aminozuren ontstaat een dipeptide. Een dipeptide heeft nog een amino- en een
carboxylgroep en kan dus nog verder reageren zodat er een polypeptide ontstaat.
Er zijn drie te onderscheiden structuren bij eiwitten:
• Primaire structuur: De volgorde van de aminozuren in een eiwit.
• Secundaire structuur: De spiraalstructuur (helix) waar een eiwit uit kan bestaan.
De spiraalstructuur wordt veroorzaakt door waterstofbruggen. (bijv.
chromosoom).
• Tertiaire structuur: Als helixen gevouwen of gekronkeld zijn door zwavelbruggen
of ionbindingen.
• Quaternaire structuur: Complexen van verschillende eiwitten.
Als een eiwit verwarmd wordt, worden de ionbindingen verbroken. Hierdoor verliest een
eiwit zijn ruimtelijke structuur. Dit wordt denatureren genoemd.
Een enzym is een eiwit. Door de tertiaire structuur heeft een enzym een specifieke
katalytische werking.
De eiwitsynthese in een cel wordt gestuurd door de chromosomen. Chromosomen
bestaan uit twee polyesterketens die door H-bruggen aan elkaar zijn gebonden.
30
Atoombouw en reacties
De ionisatie-energie is de energie die nodig is om één elektron uit een deeltje te
verwijderen.
De elektronen om een atoom kunnen ingedeeld worden in groepen. De elektronen in elke
groep hebben een verschillende ionisatie-energie. Elektronen worden hierdoor ingedeeld
in verschillende energieniveaus. Hoe hoger de ionisatie-energie, hoe lager het
energieniveau.
In het laagste energieniveau kunnen maximaal twee elektronen voorkomen en in de
daarop volgende energieniveaus maximaal acht. Deze verdeling van elektronen over de
niveaus is bij alle atomen gelijk.
Het aantal energieniveaus dat gevuld is, komt overeen met het nummer van de periode
waarin een element in het periodiek systeem staat. Bij de overgangsmetalen, de
lanthaniden en de actiniden is de opvulling van de niveaus op een andere manier.
Het model waarbij de elektronen van een atoom ingedeeld worden over verschillende
energieniveaus lijkt op het schillenmodel. De energieniveaus worden ook wel schillen
genoemd.
Een molecuul waarbij een polaire atoombinding aanwezig is, kan een dipoolmolecuul zijn.
Dipoolmoleculen zijn aan de ene kant een beetje positief en aan de andere kant een
beetje negatief geladen. Of een molecuul een dipoolmolecuul is, kun je afleiden uit het
verschil in elektronegativiteit tussen de niet-metaalatomen en de ruimtelijke bouw van
het molecuul. De dipoolsterkte van een molecuul wordt uitgedrukt in het dipoolmoment.
De waarden van dipoolmomenten zijn te vinden in tabel 54 van Binas. Moleculen waarbij
het dipoolmoment 0 is, zijn geen dipoolmoleculen.
De reactiewarmte is de warmte die vrijkomt bij een exotherme reactie. De reactiewarmte
kun je experimenteel bepalen door de warmte die vrijkomt op te laten nemen door een
bekende hoeveelheid water. Uit de temperatuurverandering en de soortelijke warmte van
het water kun je de reactiewarmte berekenen.
De reactiewarmte kun je berekenen met behulp van de vormings- en ontledingsenergie.
Eerst bereken je hoeveel energie het kost om de beginstoffen te ontleden in nietontleedbare
stoffen. Vervolgens bereken je hoeveel energie het kost om de
reactieproducten te vormen uit niet-ontleedbare stoffen. Vanwege de wet van behoud
van energie is de reactiewarmte de som van deze ontledings- en vormingsenergieën.
De vormingswarmte is de reactiewarmte van de vorming van één mol stof uit de nietontleedbare
stoffen.
De ontledingswarmte is de reactiewarmte van het ontleden van één mol stof in de nietontleedbare
stoffen. De ontledingswarmte is even groot als de vormingswarmte, maar
heeft het tegenovergestelde teken.
31
Analysetechnieken
Bij een kwalitatieve analyse wordt gekeken welke stoffen aanwezig zijn.
Bij een kwantitatieve analyse wordt gekeken hoeveel er van een bepaalde stof aanwezig
is.
Gaschromatografie (kwalitatief en kwantitatieve analyse)
Bij een gaschromatograaf vormt een stof die geanalyseerd moet worden een
verdelingsevenwicht over de mobiele fase (een gasstroom) en de stationaire fase (een
vaste stof). De stof wordt met een injectiespuit in de gasstroom gebracht.
De gasstroom voert door een lange buis, ook wel kolom genoemd. In die buis zit de
stationaire fase. Dat is een stof waaraan andere stoffen zich kunnen adsorberen. De tijd
die een geïnjecteerde stof in de stationaire fase blijft, is een karakteristieke eigenschap
van die stof. Die tijd wordt retentietijd genoemd.
De detector, aan het eind van de kolom, meet de retentietijd en de hoeveelheid stof die
op dat moment uit de kolom komt. De detector geeft die gegevens door aan een plotter,
die er een grafiek van maakt.
Door het oppervlak onder de grafief van een chromatogram te bepalen, kan je de
hoeveelheid stof uitrekenen.
Massaspectrometrie (kwalitatieve analyse)
Met behulp van massaspectrometrie kun je de structuurformules van ingewikkelde
verbindingen bepalen. Een massaspectrometer werkt volgens het volgende principe: een
deeltje krijgt een snelheid in een bepaalde richting en vervolgens wordt er een kracht op
het deeltje uitgeoefend loodrecht op de bewegingsrichting. Hierdoor buigt het deeltje af.
Hoeveel een deeltje afbuigt, hangt af van de massa van het deeltje. Met een
massaspectrometer wordt een massaspectrum gemaakt. Hiermee kun je zien hoe vaak
fragmenten van een bepaalde massa voorkomt. Hiermee kun je de structuur van een
onbekende stof achterhalen.
Absorptiespectrometrie (kwantitatieve analyse)
Bij absorptiespectrometrie worden stoffen geïdentificeerd met behulp van licht. Een stof
kan bepaalde golflengten uit licht absorberen. Dit wordt het absorptiespectrum van een
stof genoemd. Welke golflengte geabsorbeerd wordt door een stof is te achterhalen met
een spectrofotometer.
Met behulp van een spectrofotometer kun je ook de concentratie van een stof bepalen.
Dit kan met behulp van de wet van Lambert-Beer of door experimenten. Bij
experimenten moet je eerst een ijklijn maken van de stof die je wilt onderzoeken.
Bij een experiment kun je systematische en toevallige fouten maken. Bij systematische
fouten is de manier waarop het experiment wordt uitgevoerd niet goed. Bij een toevallige
fout wordt bijvoorbeeld iets verkeerd afgelezen.
32
Chemische industrie
Bij een chemische fabriek worden grote hoeveelheden stoffen gemaakt. In een
blokschema wordt schematisch weergegeven wat er in een fabriek allemaal gebeurt.
De stappen die bij een groot chemisch proces altijd voorkomen zijn:
• Aanvoer en opslag van grondstoffen in silo’s of tanks.
• Voorbewerking om de stoffen geschikt te maken voor de reactie.
• Reactie in de reactor met eventueel een katalysator.
• Zuivering van de stofstroom waarbij de hoofdproducten gescheiden worden van
de bijproducten.
• Het afzonderen van beginstoffen en weer toevoegen aan de reactor bij
evenwichtsreacties (recirculeren).
• Opslaan en afvoeren van het hoofdproduct.
• Verwerken van het afval.
In een chemische fabriek kunnen twee soorten processen voorkomen:
• Bij een continu proces is er continue aanvoer van beginstoffen en continue afvoer
van eindproducten.
• Bij een batchproces worden reactieproducten in porties gemaakt. De reactor
wordt gevuld en na de reactie weer leeggemaakt.
De belangrijkste scheidingsmethoden die gebruikt worden in de chemische industrie zijn:
• extractie: scheiding op basis van oplosbaarheid in extractiemiddel;
• adsorptie: scheiding op basis van verschil in adsorptie;
• destillatie: scheiding op basis van verschil in kookpunt;
• filtratie: scheiding op basis van verschil in aggregatietoestand;
• bezinken: scheiding op basis van zwaartekracht;
• indampen: scheiding op basis van verschil in vluchtigheid;
• membraanfiltratie: scheiding op basis van verschil in deeltjesgrootte.
Ammoniak, zout en chloor zijn belangrijke industriële producten, omdat ze als grondstof
voor andere producten dienen.
De hoeveelheid natuurlijke grondstoffen die we tot onze beschikking hebben als mensen
is beperkt. Door grondstoffen te hergebruiken en gebruik te maken van hernieuwbare
grondstoffen kunnen de natuurlijke grondstoffen langer meegaan. Door de stijgende
welvaart zijn er steeds meer grondstoffen nodig en wordt er steeds meer afval
geproduceerd. Om ervoor te zorgen dat het milieu hier zo min mogelijk schade
ondervindt, moet er aan duurzame ontwikkeling gedaan worden.
De kenmerken van productieprocessen waarbij sprake is van duurzame ontwikkeling zijn:
• Men verbruikt de natuurlijke grondstoffen in hetzelfde tempo als waarin ze worden
aangemaakt.
• Het afval wordt niet gedumpt, maar zo bewerkt dat het geschikt is voor
hergebruik.
• Men maakt gebruik van duurzame energiebronnen zoals wind, water en zonneenergie.
33
Bijzondere stoffen
Silicaten zijn polymeren die lijken op koolstofpolymeren, maar niet bestaan uit
koolstofatomen. Silicaten zijn opgebouwd uit SiO4-eenheden. Als twee siliciumatomen
twee zuurstofatomen gemeenschappelijk hebben, vormen ze ketens. Bij drie
gemeenschappelijke zuurstofatomen ontstaat een lagenstructuur. Bij vier
gemeenschappelijke zuurstofatomen ontstaat een netwerk.
Als silicium in silicaten gedeeltelijk vervangen is door aluminium, worden dit
aluminiumsilicaten genoemd. Zeolieten zijn een bijzondere groep van de
aluminiumsilicaten. Zeolieten kunnen gebruikt worden als ionenwisselaar. Dit komt
doordat zeoliet extra negatief geladen is, omdat veel siliciumatomen vervangen zijn door
aluminium. Hierdoor kunnen positieve ionen zich goed hechten aan zeolieten. De
positieve ionen kunnen makkelijk uitgewisseld worden door andere positieve ionen.
Zeolieten kunnen ook als katalysator gebruikt worden.
Salpeterzuur wordt in de chemische industrie gemaakt uit ammoniak. Hierbij ontstaat
eerst stikstofmono-oxide. Stikstofmono-oxide wordt vervolgens omgezet in
stikstofdioxide en salpeterzuur.
Het productieproces van zwavelzuur bestaat uit drie stappen. Eerst wordt zwavel
verbrand waarbij zwaveldioxide ontstaat. Zwaveldioxide wordt met behulp van een
katalysator omgezet in zwaveltrioxide. Zwaveltrioxide reageert met water tot zwavelzuur.
